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AplioTM i800 による新しい 3 次元超音波画像と高分解能の実現

東 芝 メディカルシステムズ㈱ 超 音 波 事 業 部

川 岸 哲 也

【はじめに】

Aplio i シリーズは、超 音 波 診 断 をより客 観 的 かつ効 率 的 にするために、新 しくアーキテクチャから全

てを見 直 し、開 発 されたプレミアム超 音 波 診 断 装 置 である。これまでに無 い鮮 明 さと分 解 能 を持 つ画 像

を提 供し、さらに i800 では超 高周 波 画 像を用いた高 精度・高 精細な 3 次 元画 像をも可能にした。以 下

に、新 映 像 化 技術と 3D 再 構成 技 術 についてその特 長を中 心 に解 説する。

【新映像化技術】

超 音 波 診 断 画 像では、超 音 波 ビームのサイドローブが体 内 のガスや骨 等 の高エコー源に触 れる際に

発 生 する、霞 みのようなアーチファクトが大 きな課 題 である。これは、超 音 波 ビームが、図 １(a)に示 した模

式 図のように本 来映 像 化 すべき走査 線 上から裾 野のように広 がっているのが原因である。Aplio i シリー

ズでは、このようなアーチファクトを極 限まで抑えるべく、超 音 波ビームを鋭くするための技 術を開 発した。

図 1 超音波 のビームプロファイル

１． スキャン面 内 のビームを鋭 くする iBeam forming 技 術

アーチファクトを低 減し、コントラストの良い画像を得るために Tissue Harmonic Imaging(THI)が

開 発された。THI では、基 本 波が生 体 伝 搬する際 に発 生する 2 次 高 調 波を抽 出し、送 信した基 本 波 成

分を除去するための Filter 法や Pulse subtractionTM のような信 号 処 理が使われている。しかしなが

ら、THI のエコー強 度 は基 本 波 に比 較 して 1/10 程 度 と弱 いため、映 像 化 する信 号 成 分 から充 分 に基

本 波の成 分 を除 去できなければ、基 本 波のサイドローブが拾 ってくるエコーの影 響を消 しきれずに、本 来

の期 待される THI の効 果が充 分に得られない。この様 子を図 １(b)、(c)に模 式的に示した。

今 回新たに開 発した Multi-Sync Pulser（図 ２(a)）は、送 信 基本 波の正 負対 称 性 を格 段に高 め

るなどの波 形 形成の精 度を高め、フィルタ法や Pulse Subtraction により高 純度に THI 成 分を抽 出す

ることを可 能 にした（図 1(d)）。このため Multi-Sync Pulser を使った THI では、アーチファクトが充 分低

減 された非 常 に鮮 明 な画 像 を得 ることができる。さらに、走 査 線 上 に同 時 に複 数 の波 形 を異 なる送 信

⾛査線映像化するための⾛査線（ビームの中⼼）

⾛査⽅向

ビーム強度

2次⾼調波

基本波

2次⾼調波

基本波の消し残し

(a)ビーム形状と⾛査線 (b)基本波と2次⾼調波のビームプロファイル

2次⾼調波

(c)基本波と消し残しと2次⾼調波の関係

(d)2次⾼調波のみのビームプロファイル

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焦 点 で送 信 することができる。複 数 の異 なる焦 点 を持 つビームを同 時 に送 信 し、近 距 離 から深 部 まで

方 位分 解 能 をより均 一に保ち、深部 感 度を向 上 することも実 現した。

図 2 スキャン面内のビーム形成技 術

純 粋な 2 次高 調波のビームを一度 の送 信で複 数 形成することができる Multi-Beam Receiver も高

分 解 能 な画 像 のために開 発 された。時 空 間 領 域 でこれまでの数 倍 の高 密 度 な走 査 線 を生 成 すること

が可 能 になった。この技 術 によって、フレームレートを低 下 させることなしに、一 つ走 査 線 に複 数 回 の異 な

る条 件 の送 受 信 ビームを重 ねることが可 能 になり、より高 次 元 の信 号 処 理 が可 能 になった。実 際 に

Multi-Beam Receiver では、例 えば一 度 に 64 本 の受 信 ビームフォーミングが可 能 であり、これまでと同

じ空 間 分 解 能 を維 持 しながら、数 倍 のフレームレートを実 現 することができる。図 ２(b)に多 方 向 同 時 受

信の模式 図 を示した。

一 つの走 査 線 に対 して一 対 の送 受 信 ビームで画 像 を生 成 するよりも、複 数 の条 件 の異 なる送 受 信

ビームを重 ね合 わせることにより、強 度 が強 く鋭 いビームを形 成 することが可 能 になる。Multi-Sync

Pulser で生 成 ・送 信 された高 精 度 な基 本 波 により高 純 度 な２ 次 高 調 波 を取 り出 すことが可 能 になり、

サ イ ド ロ ー ブ の 低 い 理 想 的 な ハ ー モ ニ ッ ク ビ ー ム を 得 る こ と が で き る 。 そ う し た ハ ー モ ニ ッ ク ビ ー ム を

Multi-Beam Receiver により一 度 に多く生 成 し、高 密 度 な走 査 線 の一 つ一 つに複 数 のビームを重 ね

る こ と が で き る 。 送 受 信 条 件 の 異 な る 複 数 の ハ ー モ ニ ッ ク ビ ー ム を 重 ね 合 わ せ て 信 号 処 理 す る

(Multi-Harmonic Compounding)ことにより、各 走 査 線 上 のビームを細 く均 一 に鋭 くすることができ

る(図 2(c))。

２． スキャン面を薄くする iBeam Slicing 技 術

iBeam Slicing は、スキャン面と垂 直 方向のビーム幅も細く鋭くする技 術であり、スキャン面の厚 みをこ

れまでより薄 く均 一 にできる。スキャン面 の厚 み方 向 のビームの広 がりもスキャン面 内 のサイドローブと同

様 に、本 来 映 像 化 すべきでない領 域 のエコーを拾 ってきてしまうため、アーチファクトの増 大 や画 像 の鮮

明 さをそこなう原 因 となる。スライスの厚 みをより薄 く均 一 にすることは、スキャン面 内 のビーム幅 と同 様 に

鮮 明な画 像 を生 成する上で重 要である。

スライスの厚 みをより薄 く均 一 にするために、新 たに B-mode（2 次 元 画 像 ）のためのマトリックスプロー

ブ(iDMS プローブ)を開 発 した。このプローブでは、スライスの厚 みの方 向 にも振 動 子 が分 割 されており、

それぞれ独 立 な信 号 線 が接 続 されている。このため、従 来 はスライス面 内 のビーム形 成 はレンズによる一

点 固 定 フォーカスであったのに対 して、走 査 線 の全 点 に関 してスキャン面 内 と同 様 に電 子 フォーカスする

ことができるため、送 信 開 口 直 下 からより薄 く均 一 なスライスを生 成 することができる（図 3）。図 ４に従 来

とのスライス厚 の比 較 を示 すため、ボールファントムのシミュレーションの画 像 を示 した。特 に浅 い領 域 と、

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深 い領 域 で、スライス厚 方 向 の全 点 電 子 フォーカスによりコントラストが大 幅 に改 善 し、ボール状 のシスト

が良好に映 像 化されているのが分かる。

図 3 iDMS プローブによるビームフォーミング 図 4 シミュレーション結果

以 上のように、i シリーズではスキャン面 内でのビーム幅に加えて、スキャンの厚み方 向 のビーム幅（スラ

イス厚）を鋭 く均一 に 3 次 元ビームフォーミングすることにより、本来 映 像 化すべき走 査線 上のエコーのみ

をより純 粋 に映 像 化 することができる。そのため、これまで画 像 化 が難 しかったケースであっても、アーチフ

ァクトの少 ない鮮 明 な画 像 を得 ることができる（図 5）。この心 臓 の例 では、浅 い領 域 から深 い領 域 まで、

鮮 明 かつ詳 細 な組 織 の構 造 が描 出 されているのが分 かる。この技 術 は、もちろん心 臓 だけではなく、腹

部、表 在 等 のあらゆる領 域に適用 可 能であり、新 しい画 質が実 現されている。

図 5 i800 による鮮明で高分解 能な画像

３． 超 高 周 波 技 術

i シリーズではこれまでの分 解能の限 界を大きく超えた画像 を提 供する超 高周 波プローブを開発する

ことに成 功 した。図 6(a)に今 回 開 発 した超 高 周 波 プローブ i24LX8 の周 波 数 特 性を、これまで当 社 の最

高 周波 数 特 性を持っていたプローブとの比 較で、模 式的に示 した。さらに i シリーズ本 体 でも、システムの

サンプリング周 波 数 も従 来 から大 幅 に向 上 させることにより、この超 高 周 波 の信 号 を折 り返 させることなく

充 分 な帯 域 をもって映 像 化 することを可 能 にした。プローブと装 置 本 体 の両 者 の性 能 の飛 躍 的 な向 上

により、これまで見 ることができなかった超 高 分 解 かつ鮮 明 な画 像 を得 ることができるようになった。図 ６

(b)と(c)には指 の画 像 を従 来 プローブとの比 較 について示 した。数 百 ミクロンの血 管 構 造 やその他 の微

細 な 構 造 も 明 瞭 に 描 出 さ れ て い る の が 分 か る 。 さ ら に 、 図 ６ (d) は 、 爪 と 骨 の 間 に あ る 血 流 を

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(a)従来画像 (b)iDMS画像

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SMI(Superb Micro-vascular Imaging)で描 出 した例 であり、数 十 ミクロン単 位 の血 流 が捉 えられ

ている。

また、このプローブでは超 高 周 波 でありながら従 来 の高 周 波 プローブに匹 敵 する深 部 感 度 を実 現 す

ることにも成 功 し、甲 状 腺 、乳 腺 、MSK 等 での日 常 臨 床 でのより詳 細 な診 断 のための画 像 情 報 の提 供

が期待される。

図 6 超高周 波プローブの周波数 帯域 と画像例

【3D 再構成技術】

i シリーズでは、これまで説 明してきた分 解能の良い画像を用いた高精 度な 3D 技 術(Smart Sensor

3D)が搭 載 された。プローブをスキャン面 と概 垂 直 方 向 にプローブを平 行 移 動 、扇 動 させることにより、3

次 元 画 像 を再 構 成 するものである。この際 に、システムはプローブに装 着 されたポジションセンサから位 置

情 報をリアルタイムに認 識することにより、高精 細 な 3 次 元画 像を再構 成 することができる（図 7）。

図 7 磁気センサによる３D 再構成 技 術

これまでの超 音 波 3D 画 像 は、B 面 の画 質 や C 面 の画 質 が課 題 になることがあったが、iBeam 技 術 で

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スライス厚が薄くなった i シリーズではこれまでとは明らかに異 なる 3D 画質 を実 現することができる。図 8 に

指 の 3D 画 像 例 を示 した。図 8(b)は従 来 装 置 とプローブで 3D 再 構 成 を試 みた画 像 であり、図 8(c)は、

i800 で同 じ指 を再 構 成 したものである。両 者 の画 質 には非 常 に大 きな差 があるのが分 かる。さらに図

8(d)は SMI と組 み合 わせた画 像 であり、指 先 の微 細 な血 流 が 3 次 元 的 に精 度 良 く描 出 されているのが

分 かる。また、図 8(e)は、複 数 の指 の関 節 付 近 B-mode の C 面 再 構 成 画 像 であり、軟 骨 領 域 等 含 めて

関 節の構 造 が良好に描 出されているのが分かる。

図 8 指の３D 再構成 画 像例

【まとめ】

i シリーズに搭 載 された、新 しい映 像 技 術 、超 高 分 解 能 な映 像 化 が可 能 な超 高 周 波 プローブ、B

面・C 面・ボリュームレンダリングにおいても高 画 質を提 供 できる高 精 度な 3D 再 構 成技 術を説 明した。

これらの新 技 術 が、超 音 波 診 断 の客 観 性 と精 度 を高 めるとともに、新 しい診 断 を切 り開 いていくと期 待

される。

【参考文献】

1) 今 村ほか： プレミアム超 音波 診 断 装 置 Aplio i シリーズに搭 載された次 世代 映 像 化 技術、

超 音波 検 査 技 術 2016 Vol.41 No.5 October P528-535

2) 松 永ほか： プレミアム超 音波 診 断 装 置 Aplio i シリーズに搭 載された超 高分 解 能 かつ高 精度 な

映 像化 技 術 映像 情 報 Medical 2016 Vol.48 No.9 SEPTEMBER P9-14